1.Introducere:In zilele noastre o cladire moderna este dotata cu infrastructura electronica, care ii permite sa se adapteze si sa raspunda in mod permanent la schimbarea conditiilor avand ca rezultat utilizarea eficienta a resurselor energetice, imbunatatirea conditiilor de confort si cresterea gradului de securitate a celor ce o ocupa.Infrastructura electronica (creierul) cladirii care conduce si monitorizeaza functionarea echipamentelor si instalatiilor aferente este cunoscut in literatura de specialitate cu numele de Sistem de Management al Cladirii (SMC) sau Building Management System (BMS).

BMS - sistem de automatizare modern cu o arhitectura ierarhizata si distribuita pe doua sau trei niveluri. Elementele principale sunt computerul central (PC Workstation - post central de comanda) si controlerele necesare automatizarii diverselor tipuri de echipamente si instalatii. Transmiterea informatiilor intre acestea si computer si invers se face in timp real prin intermediul unei retele de comunicatii. Controlerele sunt dispozitive electronice, dotate cu microprocesor, si care au implementate algoritmi moderni de functionare (PID, EPID1 etc.).

1.1.Standarde si protocoale de comunicatie:

Protocol de comunicatie - set de reguli bine stabilite prin care se normeaza modul cum se reprezinta si cum se transmite informatia, modul cum se face autentificarea informatiei dar si modul cum se face detectarea erorilor ce pot aparea la transmiterea informatiei pe canalul de comunicatie. Acesta stabileste regulile ce trebuie urmate de participantii la conexiune pentru a putea face posibila comunicatia.

Rolul unui protocol de comunicatie – informatia este transmisa la destinatar la timp si fara erori (sau ca aceste erori sunt detectate). Este necesar sa se cunoasca modul si procedeele prin care se realizeaza comunicatia in retea intre mai multe dispozitive deoarece exista foarte multe familii de protocoale de comunicatie si nu orice protocol (sau familie) este potrivit sau poate fi utilizat pentru un anumit scop. Protocoalele de comunicatie impun limitari in ceea ce priveste posibilitatea si parametrii in care se realizeaza comunicarea: viteza de transfer, distante maxime, tipuri de elemente de legatura necesare si modul in care acestea trebuiesc montate (fibra optica nu poate fi indoita foarte mult, cablurile trebuiesc ecranate prin unele medii, etc.)

1.2. Clasificarea protocoalelor de comunicatie :

1.2.1. Protocoale de comunicatie orientate catre automatizarea proceselor: Profibus (Process Field Bus) PROFINET IO Modbus RTU sau ASCII, Modbus-NET, Modbus/TCP CIP (Common Industrial Protocol) Interbus

1.2.2. Protocoale de comunicatie orientate catre automatizarea cladirilor: BACnet LonTalk Konnex - KNX C-Bus Zigbee Z-wave Modbus RTU/ASCII Modbus/TCP

1.2.3. Protocoale de comunicatie orientate catre automatizarea statiilor: DNP3 IEC_61850 IEC_60870-5-103

CEN - (Comitetul European pentru Standardizare) defineste o schema ierarhica pentru clasificarea protocoalelor folosite in automatizare pe nivele:

Nivelul de management (Management Level)

Nivelul de automatizare (Automation Level)

Nivelul industrial, al senzorilor si actuatorilor (Field level)

Ne vom ocupa in continuare de prezentarea protocolului KNX

2.Prezentare Protocol KNX:

2.1. Definitie :KNX este un protocol de comunicare in retea standardizat (EN50090 si ISO/IEC 14543) folosit pentru automatizarea cladirilor inteligente. KNX a luat fiinta in urma convergentei

a trei standarde europene: European Home Systems Protocol (EHS), BatiBUS si European

Installation Bus (EIB) si este in prezent dezvoltat si administrat de Asociatia Konnex .

KNX a fost proiectat pentru a fi independent de platforma hardware si pentru a putea fi

controlat atat de calculatoare PC cat si de micro-controlere de 8 biti ceea ce permite o flexibilitate foarte mare. Dispozitivele KNX sunt fie senzori, fie actuatoari.

2.2. Reglementari - standarde internationale : CENELEC

EN 50090 . singurul Standard European pentru Sisteme Electronice destinate Caselor si Cladirilor (HBES) bazat pe KNX.

CENEN 13321-1 . Standardul European pentru Automatizari Cladiri bazat pe KNX.

ISO / IECISO/IEC 14543-3 . singurul Standard din lume pentru Sisteme Electronice destinate Caselor (HES) bazat pe KNX.

GB/ZGB/Z 20965 . Standard Chinez pentru Controlul Caselor si Cladirilor bazat pe KNX

US Standard (ANSI/ASHRAE 135)

2.3. Avantaje : Standard International, asadar viitor sigur; Prin certificarea produselor, KNX garanteaza Interoperabilitatea & Interactiunea

echipamentelor de la diferiti producatori - KNX este singurul standard HBES care intruneste complet schemele de certificare pentru produse, centre de instruire si chiar si pentru persoane.

Standuri KNX pentru asigurarea inaltei calitati a produselor

- Asociatia KNX solicita un nivel inalt al productiei si controlul calitatii in toate etapele vietii produsului. - Toti producatorii trebuie sa prezinte dovada acordului la ISO 9001 si cerintele EN 50090- 2-2 (standardul european pentru sisteme electronice pentru cladiri si locuinte) .

Un singur ETS utilizat independent de fabricantii produselor alese- Instrumentul PC de programare (ETS) permite planificarea, etapele de inginerie si configurarea tuturor produselor certificate KNX.

- Instrumentul PC este cu atat mai mult independent de fabricanti deoarece integratorului de sistem ii este permis sa combine produse ale diferitilor fabricanti intr-o singura instalatie.

Functionalitate independenta de producator – KNX este un standard deschis, contine functii pentru cele mai intalnite aplicatii pentru automatizarea cladirilor si locuintelor. Noi functionalitati sunt propuse de Comisia tehnica si apoi sunt analizate pentru aprobare de o comisie de interoperabilitate (comisiile sunt formate din reprezentanti de la fiecare membru al Asociatiei Konnex)

Medii de comunicare variate

2.4. Structura unei retele EIB/KNX :

K N X / EIB - European Installation Bus, este standardul european pentru integrarea retelelor de automatizare in cladiri.

EIB este un protocol de comunicatie digital, pentru aplicatii descentralizate "inteligente" prin care toate aparatele din cladire comunica intre ele.

KNX poate comunica prin urmatoarele medii : 2.4.1. Partea de putere : - PL (Power Line ) - 230 VAC sau 400 VAC (50 Hz)

Linii de tensiune – doua moduri de comunicare: - PL-110 – comunicare prin linii de tensiune, 110kHz, la o viteza de 1200 biti/s, mod preluat de la EIB. Dispozitivele EIB si cele KNX PL110 pot opera si comunica intre ele pe aceeasi retea de distributie. - PL-132 – comunicare prin linii de tensiune, 132kHz, la 2400 biti/s, mod preluat de la EHS. Dispozitivele KNX PL132 pot opera pe aceeasi linie cu dispozitivele EHS 1.3a dar nu pot comunica decat cu un convertor de protocol care va fi incorporat intr-un model de dispozitive KNX. 2.4.2. Partea de comanda :

cablul torsadat – doua moduri de comunicare: - TP-0 cu viteza de 4800 biti/s, preluat de la BatiBUS. Dispozitivele KNX pot coexista cu dispozitivele BatiBUS pe aceeasi linie, dar nu pot comunica intre ele. - TP-1 cu viteza de 9600 biti/s, preluat de la EIB. Dispozitivele KNX pot opera si comunica cu dispozitivele EIB aflate pe aceeasi linie.

Unde radio – comunicatia prin unde radio se face in banda de 868 MHz, nu a fost preluata de la niciunul din cele trei standarde si permite viteze de 38,4 kbiti/s.

Ethernet – permite incapsularea cadrelor KNX in cadre IP. O retea KNX poate contine si un dispozitiv numit cuplor. Cuplorul este un dispozitiv care conecteaza intre ele linii sau segmente. Acestea pot avea mai multe functionalitati: repetor, punte, router, filtru de pachete pentru optimizarea traficului,

protectie firewall, etc. Din punct de vedere logic, o retea KNX are o topologie descentralizata, este o retea distribuita, deoarece orice dispozitiv poate comunica cu oricare altul, utilizand fie adresa unica, fie adresa de grup

Pentru a permite comunicatia orientata pe conexiune intre 2 dispozitive KNX dintr-o instalatie, posibil conectate la medii diferite cu niciunul sau mai multe medii diferite, adresa individuala trebuie sa fie unica in cadrul tuturor mediilor utilizate pentru comunicatie.Daca vecinatatile subretelelor sunt conectate intre ele prin intermediul unui cuplor, acesta este obligatoriu un cuplor de mediu daca sunt conectate medii diferite de comunicatie, avand rolul de a filtra mesajele in cele ambele directii de transmisie, iar aceasta rutare este o functionalitate a nivelului de retea implementata in cuplor. Filtrarea este bazata pe campul de adresa care indica destinatia mesajului iar suplimentar pentru medii deschise este necesar si campul adresei de domeniu. Sunt posibile urmatoarele situatii:a) Adresa destinatiei coincide cu adresa grupului - rutarea in acest caz este bazata pe o tabela de rutare care contine informatii despre grupul la care trebuie sa ajunga mesajeleb) Adresa destinatiei coincide cu adresa individuala : rutarea se bazeaza pe o comparatie intreadresa cuplorului si adresa destinatieic) Adresa destinatie = Difuzare- in medii inchise : mesajele sunt de fiecare data trecute in ambele directii- in medii deschise : mesajele sunt restrictionate (trecute sau nu) functie de adresa domeniului :

adresa domeniu ≠ 0x0000, cuplorul nu va permite trecerea mesajului spre celalalt mediu adresa domeniu = 0x0000, cuplorul va trece mesajul catre celalalt mediu

2.5.Tipuri de Topologii - Standard KNX :

Topologia magistrala : Magistrala liniara - toate nodurile sunt conectate de-a lungul unui singur mediu de

comunicatie comun, care prezinta doua capete. Informatia transmisa de un nod este receptionata aproape simultan de catre toate nodurile. De obicei mediul de comunicatie prezinta izolatori la ambele capete, care au rolul de a impiedica fenomenul de reflexie al semnalului. – fig.1.

fig.1.Topologie magistrala liniara Magistrala distribuita - toate nodurile sunt conectate de-a lungul unui mediu de

comunicatie comun, dar care prezinta mai multe capete . Capetele sunt create prin adaugarea de noi ramuri la mediul comun de comunicatie. – fig.2

fig.2.Topologie magistrala distribuitaTopologia arborescenta : exista un nod radacina, la nivelul cel mai inalt din ierarhie, la care se conecteaza unul sau mai multe noduri, care formeaza al doilea nivel. Fiecare din aceste noduri

pot avea la randul lor alte noduri subordonate. Daca elementul radacina este scos din functie atunci reteaua nu mai functioneaza.- fig.3- este avantajoasa in cazul instalarii unor retele de mari dimensiuni ce contin un numar mare de dispozitive

fig.3.Topologie arborescentaTopologia stea : fiecare nod este conectat la un dispozitiv (nod) central care permite comunicatia intre dispozitive atata timp cat el functioneaza corespunzator. Daca se defecteaza nodul central, nu mai este posibila comunicatia. Mai exista topologia „stea extinsa”, in care nodul central este inlocuit cu noduri sub-centrale. – fig.4

fig.4.Topologie stea

Standardul nu permite utilizarea topologiei inel. Aceste topologii pot fi combinate in functie de necesitati.

2.6. Principiul care sta la baza proiectarii KNX:Conceput sa fie total independent de platforma hardware pe care ruleaza sau de arhitectura procesorului. Acest lucru permite o mare flexibilitate producatorilor, deoarece in functie de aplicatiile rulate, dispozitivele KNX pot fi echipate cu procesoare pe 8 biti si 5 kb memorie RAM, sau procesoare pe 16, 32 biti sau pot fi chiar computere foarte puternice.

2.7. Modul de configurare al dispozitivelor :Standardul prevede trei moduri de configurare pentru dispozitivele KNX :

2.7.1. Modul S - Modul Sistem (S-mode/System mode) :- Permite cel mai mare grad de flexibilitate deoarece dispozitivele care sunt in modul sistem nu sunt programate, nu au nici un comportament implicit. Pentru a le putea utiliza, acestea trebuiesc programate utilizand o platforma software cum ar fi ETS.

2.7.2. Modul E - Modul usor (E-mode/Easy mode) :

- Dispozitivele in modul E sunt preprogramate si pot fi instalate de catre personal instruit in instalarea produselor KNX. Fata de dispozitivele S, acestea ofera o functionalitate limitata deoarece sunt pre-programate si au o lista cu parametrii pe care utilizatorul poate sa-i modifice pentru a-si satisface nevoile.

2.7.3. Modul A - Modul Automat (A-mode/Automatic mode) :- Dispozitivele se configureaza singure, comunicand cu alte dispozitive aflate in modul A de configurare si pot fi instalate cu usurinta de catre utilizator. Acestea au un set fixat de parametrii si contin instructiunile necesare pentru a comunica cu alte dispozitive si sunt destinate pentru a fi utilizate in locuinte.

O retea KNX, numita si domeniu, poate avea maxim 15 zone (sau linii principale).

Fiecare zona poate fi impartita la randul ei in 16 linii, care pot contine 255 dispozitive. -Spatiul total de adresare este de (255x16)x15+255 = 61 455 dispozitive, dar numarul total de dispozitive ce pot fi conectate impreuna depinde si de mediul fizic prin care se face comunicatia. Lungimea maxima a unei linii in cazul folosirii cablului torsadat este de 1 km. Distanta maxima recomandata intre doua dispozitive este de 700 m, iar distanta intre un dispozitiv si sursa de alimentare este de maxim 350 m.

Protocolul permite o dubla adresare,

una folosind adresa individuala a dispozitivului, adresa data sub forma zona.linie.dispozitiv si o adresare folosind grupuri de comunicare. Adresarea cu grupuri este de tipul multicast (o sursa, mai multi receptori), deoarece la un grup pot adera mai multe dispozitive. Spatiul de adresare pentru acest tip de adresare este de 16 biti si astfel se pot aloca pana la 64.000 de adrese.

2.8. Exemplu de implementare KNX :

Structura sistemelor KNX necesita ca aplicatiile dintr-un nod sa poata fi modificate fara aapela la cunostinte avansate de programare, folosind o aplicatie utilitara software de uz general. Cu toate acestea, proiectarea pentru prima data a unor aplicatii bazate pe tehnologia KNX este un proces cu un nivel de dificultate tehnica ridicata.

Solutia KNX / EIB este un sistem adaptabil pentru gestionarea fatadelor conectate la magistrala KNX / EIB. Principalele sale avantaje sunt:

1. Permite nu doar gestionarea dispozitivelor de umbrire, ci gestionarea simultana a dispozitivelor de iluminat, aer conditionat si incalzire.

2. Configurare ergonomica prin ETS: aceasta solutie nu necesita programarea on-site si integrarea, reducand nevoia de interventii locale.

3. Motoarele sunt programate local, folosindu-se telecomenzi radio sau infrarosu, indiferent de cablurile magistralei si de sistemul global. Astfel, electricianul nu este limitat de constrangerile de timp ale integratorului ETS. 

4. Pentru comenzile locale wireless, adaugati un card RTS radio sau infrarosu.5. Rentabile, le permit utilizatorilor sa conecteze unitatile de comanda standard locale

binare.

EIB / KNX este implementat pentru diferite medii de transmisie , intre care cea cu liniile de alimentare de putere si pereche de fire torsadate (twisted pair –

TP) fiind solutia de baza. EIBnet/IP - Implementarea mesajelor de date EIB/KNX in cadrul retelelor IP - asigura o

comunicatie punct la punct(de exemplu pentru configuratie de la distanta a unui echipament, cat si comunicatia multipunct pentru conectarea mai multor subretele EIB/KNX prin intermediul IP).

Dispozitivele implementate cu TP si linie de alimentare sunt uzual impartite in 2 parti :-BCU (Bus Coupling Units) - module generice care asigura conectivitatea pe magistrala de comunicatie BUS Coupling Units) -Module hardware specifice unei aplicatii. Conectorul standard cu 10 pini dintre dispozitivele BCU si aceste module de aplicatie definesc interfata fizica externa (PEI - Physical Layer Interface), care poate lucra in configuratii diverse cum sunt intrari digitale I/O paralele sau seriale si intrari sau iesiri analogice.

fig.5 Exemplu de realizare BCU - MC68HC05x - microcontroller de fabricatie Freescale din familia, in combinatie cu un transceiver si o sursa de alimentare conectate la magistrala KNX. Acestea contin in memoria ROM parametrii stivei de comunicatie in retea EIB/KNX si cei ai aplicatiei, in memoria EEPROM fiind implementata aplicatia software integrat.

fig.6. Sistem EIB / KNX

2.9. Etape pentru realizarea unui sistem EIB/KNX :

2.9.1. Dezvoltarea : - un dezvoltator software va scrie programul de aplicatie BCU pentru o anumita configuratie hardware. Acesta va documenta facilitatile oferite si va defini parametri acestora. Aplicatia este adusa intr-un format aplicabil pentru distributie catre specialistii de proiect KNX si include meta-informatia necesara pentru a permite unui utilitar software KNX afisarea parametrilor aplicatiei. Se va asigura instrumentul si cunostintele necesare despre cum se aplica modificarile in vederea programarii codului.2.9.2. Planificarea proiectului :- specialistul de proiect va alege dispozitivul KNX adecvat pentru a asigura indeplinirea cerintelor unui anumit proiect. Folosind un instrument de integrare (de obicei bazat pe o platforma PC) specialistul va aduce modificarile necesare asupra parametrilor aplicatiei pentru dispozitivele selectate si de asemenea va seta legaturile de comunicatie dintre acestea.2.9.3. Instalarea si descarcarea configuratiei : – BCU sunt combinate cu modulele hardware necesare (in situatia in care nu au fost furnizate in aceeasi carcasa de catre producator) si apoi instalate in locatia de la distanta. De obicei aceasta etapa este realizata de catre un tehnician, descarcarea configuratiei poate fi realizata prin intermediul retelei, iar dispozitivele aplicabile acestei operatii sunt identificate pe baza unei adrese unice sau prin apasarea unui buton de configurare daca nu a fost atribuita inca o adresa.

3. Concluzii :

Protocoalele de comunicatie folosite in instalatiile de automatizare sunt in general destinate transmiterii de date de dimensiuni reduse, cu latenta scazuta, prin medii ce suporta viteze de transmisie relativ mici. Caracteristicile acestora au fost influentate de domeniul pentru care au fost proiectate pentru a fi utilizate. Astfel, sunt protocoale destinate pentru automatizarea proceselor, In industria transporturilor (auto, feroviar, aerian, nautic), automatizarea cladirilor, etc. Desi majoritatea protocoalelor tratate nu sunt limitate la un singur domeniu si pot fi utilizate cu succes In mai multe domenii din cele enumerate si chiar in altele, ele se preteaza (datorita uneltelor dezvoltate, echipamentelor disponibile, a experientei anterioare) pentru a fi utilizate indeosebi intr-un anumit domeniu. Echipamentele de automatizare folosesc protocolul de comunicatie pe care producatorul a ales sa-l implementeze. Constructia instalatiilor de automatizare este influentata de tehnologia aleasa pentru implementarea solutiei de supraveghere si alarmare. Tehnologia influenteaza modul de conectare al dispozitivelor, numarul maxim de dispozitive ce pot fi interconectate pe un segment, topologia retelei (modul de interconectare al segmentelor). In functie de marimea si configuratia instalatiei de supraveghere si alarmare, topologia poate avea un impact deosebit asupra performantei retelei de comunicatie, care trebuie sa faca fata cerintelor de comunicare atât In conditii normale cât mai ales In situatia aparitiei unui eveniment deosebit.

De asemenea tehnologia influenteaza si alegerea software-ului de monitorizare si control. Cele mai multe companii care dezvolta echipamente pentru instalatii de automatizare, produc de asemenea si software-ul pentru vizualizare. Aceasta se supune principiilor si ofera funcționalitatea pe care proiectantul o doreste. Desi cele mai mult pachete software oferite de producatorii de echipamente sunt configurabile, In sensul ca se pot adapta foarte usor cerintelor utilizatorului, acestea ramân legate de tehnologia de automatizare furnizata de acestia. Exista de asemenea si pachete software oferite de producatori independenti, nelegate de o tehnologie anume, care pot fi utilizate cu mai multe tipuri de echipamente. Acestea sunt utile indeosebi când se foloseste o solutie hibrid alcatuita din echipament de la mai multi producatori. Fiecare protocol de comunicatie are avantajele si dezavantajele sale. In final, in cazul solutiilor complexe ce dispun de foarte multe dispozitive raspândite pe o arie foarte mare performanta sistemului este influentata foarte mult de modul cum a fost gândita si implementata solutia.